건초더미에서 바늘 찾기를 ‘몇 분만에’··· 다우 케미컬의 화학물질 탐색 AI 혁신 사례

화학자들에게는 특정한 용도에 딱 맞는 분자를 찾는 작업이란 건초더미에서 바늘을 찾는 것과 비슷하다. 선택할 수 있는 화합물이 수백만 개에 달하는 화학자들은 화학적 과정과 관련된 복잡한 문제를 해결하려고 할 때 직관에 의존하곤 했다.

미국의 다국적 기업인 다우 케미칼은 보다 우수하고 안전한 펄프 수율을 생산하기 위해 화학 공정의 비효율성을 개선하고 있었다. 하지만 그 좁은 목표를 달성하기 위해서 다우는 후보 분자를 식별하는 더 빠른 방법이 필요했다. 그래서 약 2억 개 이상의 화합물이 있는 전자 카탈로그에서 화학 분자를 검색하는 데 최적화된 ‘CAS 사이파인더'(CAS SciFinder)에 주목했다. 회사는 이를 활용하기 위해 미국 화학 협회의 한 부문인 CAS(Chemical Abstract Services)와 협업을 시작했다.

그 결과물인 스마트서치(SmartSearch)는 수천 명의 다우 화학자들이 과거에는 식별하는데 몇 주가 걸렸던 필요한 분자를 단 몇 분 만에 발견할 수 있게 해준다. 이는 다우가 2023년 CIO 100 어워드를 수상하는 계기이기도 하다.
 

다우의 엔터프라이즈 데이터 및 애널리틱스 그룹의 데이터 클라이언트 파트너십 담당 IT 책임자인 네이선 윌모트는 “데이터베이스를 통해 분자를 더 빠르게 검색할 수 있는 방법을 찾고자 했다. 이것이 바로 이 프로젝트의 시작이었다. 이전에는 [화학자들이] 분자를 식별하기 위해 직관과 카탈로그를 훑어보는 데 크게 의존했다”라고 말했다.

그는 이어 다우용 스마트서치(SmartSearch for Dow)를 통해 다우 화학자들이 “특정 용도에 적합한 분자 또는 분자 세트에 대한 분자의 화학적, 물리적, 상업적 가용성뿐 아니라 건강 및 안전 특성을 몇 분 만에 매우 빠르게 필터링할 수 있다”라고 덧붙였다.

예를 들어, CAS 사이파인더는 기존 재료를 대체할 수 있는 가능한 후보로 다우가 8~12개의 더 안전하고 지속 가능한 분자 세트를 포착하는 데 도움을 주었다.

다우는 그 이후 분자 옵션의 수를 2~4개로 좁힌 상태다. 향후 1~2년 안에 분자 옵션 중 하나를 상용화할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 윌모트는 “이를 통해 많은 실험 시간을 절약할 수 있고…우리의 연구를 상당히 가속화할 수 있다”라고 말했다.

화학 기반의 파트너십
CAS 대변인에 따르면 CAS는 전 세계 화학자들을 위한 지식 자원이다. 1903년에 설립되었으며 특허 및 회의 노트를 포함한 다양한 출처에서 색인화 되고 큐레이션 된 2억 개 이상의 물질을 포함하는 등록부를 ‘보관’한다.

CAS의 CTO인 벤키 라오에 따르면 다우용 스마트서치는 CAS 사이파인더 독점 검색 기술과 25억 개 이상의 실체와 200억 개 이상의 화학적 관계로 구성된 ‘지식 그래프’를 갖춰 플랫폼을 사용할 수 있도록 하는 맞춤형 프로젝트이다.

라오는 이 콘텐츠가 현대 자연어 처리(NLP) 및 신경망 기반 관련 기술의 지원을 받고 있다고 말하며 기존 플랫폼에 새로운 AI 기술을 ‘추가’하여 다우가 R&D를 강화하고 차세대 비즈니스 목표를 달성할 수 있는 새로운 역량을 제공한다고 전했다.

다우는 수년간 CAS와 파트너 관계를 맺어 왔다. 하지만 다우용 스마트 서치를 만들기 위해 각 CAS의 강점을 통합할 수 있는 보다 심층적인 협업을 위해 좀더 긴밀히 다가갔다고 다우의 윌모트는 말했다. 

수백만 개의 분자가 존재하며 적절한 분자를 적절한 용도에 맞추는 고유한 용도를 가진 분자를 찾고 디지털 툴을 사용하는 접근법은 이전에는 존재하지 않았지만 다우의 비즈니스에 심대한 영향을 미칠 것이라고 윌모트는 기대했다.

윌모트는 “[CAS]가 비즈니스 모델을 새롭게 하고 서비스 조직을 갖추기 시작한 2019년과 2020년 이래로 우리는 특히 이 분야의 혁신 파트너로서 그들과 긴밀히 협력해 왔다”라고 말했다.

컴퓨터 화학의 다음 단계
다우의 3,800여 화학자들은 그들 자신의 화학물질 데이터베이스를 계속해서 구축하고 있으며 CAS의 분자 모델링으로 이를 보완하여 다른 분야의 연구를 더욱 가속화하고 있다. 이를 통해 “기존 방식으로는 불가능했을 더 나은 결정을 내리고 있다”라고 윌모트는 말했다.

다우용 스마트서치는 이제 많은 산업 솔루션뿐만 아니라 다우의 플라스틱, 실리콘 및 폴리우레탄 사업 전반에 걸친 여러 프로젝트에서 사용되고 있다고 IT 책임자인 윌모트는 언급했다. 현재 다우에서는 10명에서 12명의 직원이 이 협업 솔루션에 전념하고 있다.

윌모트는 “스마트서치는 건초더미에서 바늘을 찾는 대신 우리가 가진 데이터를 기반으로 최고의 분자를 찾을 수 있게 해준다. 우리는 이를 모든 연구원에게 전달하여 사용 가능한 최상의 목표대상, 즉 가장 지속 가능하고 비용 효율적이며 고성능이고 가치가 높은 재료를 최대한 빨리 찾아 경쟁 우위를 확보할 수 있다”라고 말했다.

윌모트가 이어 “외부 파트너와 IT 조직 간의 멋진 협업”이라고 부르는 이번 시도가 다우가 산업 및 농업 화학, 촉매, 약물 발견 및 기타 분야에서 잠재적인 영향을 미칠 것으로 전망했다. 여기에는 펄프 및 제지업계와 마찬가지로 새로운 대체물을 식별하는 것이 포함된다. “우리 비즈니스에 있어 매우 중요한 부분이다”라고 그는 말했다. ciokr@idg.co.kr